Hva er den termiske beskyttelseseffekten til dioder i strømforsyninger for energilagring av biler?

一, Grunnårsaken til termisk løping: komplekst termisk miljø for strømforsyning for energilagring ombord
Kjøretøymonterte energilagringskraftkilder (som strømbatteripakker og superkondensatormoduler) møter flere termiske utfordringer under drift:

Krav til høy effekttetthet: I hurtiglademodus må batteripakken fullføre 80 % ladepåfylling innen 15 minutter, med en øyeblikkelig effekttetthet på opptil 500kW/m³, noe som resulterer i lokal temperaturøkning på over 10 grader/min.
Temperatursvingninger i miljøet: Driftstemperaturområdet til kjøretøy er -40 grader til 85 grader, og ekstreme temperaturforskjeller forverrer termisk stress på komponenter.
Elektrisk feilsuperposisjon: Kortslutning, overlading, omvendt strøm og andre feil kan forårsake lokale hotspots, og temperaturen kan bryte gjennom materialets smeltepunkt i løpet av millisekunder.
For å ta Tesla Model 3-batterimodulen som et eksempel, tar den i bruk et 21700-celleseriekoblingsskjema, med en enkelt-modusgruppeenergitetthet på 250Wh/kg. Under ekstreme driftsforhold, hvis termisk styring mislykkes, kan overflatetemperaturen til battericellen stige fra 25 grader til 300 grader innen 30 sekunder, og utløse en kjedereaksjon av termisk løping. På dette tidspunktet bestemmer ytelsen til dioden som den første termiske beskyttelsesbarrieren direkte om systemet kan oppnå aktiv isolasjon i de tidlige stadiene av termisk løping.

2, Termisk beskyttelsesmekanisme for dioder: innovasjon fra materialer til strukturer
1. Lavt spenningsfall fremover (VF) reduserer varmetapet
Foroverspenningsfallet for tradisjonelle-silisiumbaserte dioder er 0,6-0,7V, noe som resulterer i 12-14W varmetap ved 20A strøm. Schottky-dioden tar i bruk en metallhalvlederkoblingsstruktur, og VF kan være så lav som 0,2-0,4V ™ For eksempel opprettholder Schottky-dioder en VF på 0,3V ved en høy temperatur på 150 grader, som er 57 % lavere enn silisiumbaserte enheter og reduserer varmetapet med 68 %. Etter å ha brukt Schottky-dioder i DC/DC-omformeren til BYD e6, økte konverteringseffektiviteten fra 92 % til 95 %, og systemtemperaturøkningen sank med 8 grader.

2. Rask reverseringstid (Trr) undertrykker brytertap
I høyfrekvente strømforsyninger (som billadere OBC) må dioder raskt bytte mellom lednings- og avskjæringstilstander. Tradisjonelle hurtiggjenopprettingsdioder har en Trr på 50-100 ns, mens tredje-generasjons halvledermaterialer som SiC og GaN kan forkorte Trr til innenfor 10 ns. Crees GaN HEMT-diode reduserer reversert gjenopprettingstap med 90 % sammenlignet med silisium-baserte enheter med en byttefrekvens på 1MHz, noe som resulterer i en OBC-systemeffektivitet som overstiger 98 %. I 800V høyspenningsplattformen til NIO ET7 reduserer bruken av GaN-dioder volumet på lademodulen med 40 % og den termiske tettheten med 35 %.

3. Transient Voltage Suppression (TVS) blokkerer forplantningen av termisk løping
TVS-dioden klemmer overspenningen til et trygt område med en millisekunds responshastighet, og forhindrer at battericellen overopphetes og mister kontrollen på grunn av overlading. SMBJ15CA TVS-dioden fra Dongwo Electronics brukes i Tesla Powerwall energilagringssystem, med Pppm=600W og Vc=18V. Den kan undertrykke 24V overspenning til 18V innen 10 μs, og reduserer overflatetemperaturøkningen til batterimodulen med 42%. I UL9540A termisk runaway-test oppnådde denne løsningen mer enn 10 ganger responstiden for brannsikringssystemet.

3, termisk beskyttelse på systemnivå: samarbeidsdesign av dioder og andre komponenter
1. Komposittbeskyttelse med MOSFET
Den tradisjonelle P-MOS-antireversordningen har problemer som høy motstand og manglende evne til å blokkere omvendt strøm. TIs LM74700-Q1 ideelle diodekontroller oppnår 0,01 Ω på motstand og nanosekundnivå revers avstengingshastighet ved å integrere N-MOS og kontrollkrets. I 48V lavspenningssystemet til Ideal Car L9, reduserer denne løsningen anti reversert forbindelsestap fra 8W til 0,2W, og systemtemperaturøkningen fra 15 grader til 2 grader, noe som løser risikoen for termisk svikt under kaldstart fullstendig.

2. Lukket sløyfekontroll med temperaturføler
CTP3.0-batterimodulen til CATL bruker en lukket-sløyfedesign av "diode+NTC temperatursensor". Når temperaturen på battericellen overstiger 55 grader, kutter systemet automatisk av diodekontrollsignalet og tvinger det til varmeavledningsmodus; Hvis temperaturen fortsetter å stige til 70 grader, vil TVS-diodesmeltemekanismen utløses for å oppnå fysisk isolasjon. I selve testingen av GAC AiON LX reduserte dette opplegget forplantningshastigheten til termisk runaway fra 0,5 m/s til 0,02 m/s.

3. Termisk elektrisk koblingsoptimalisering med væskekjølesystem
BYD Cube-energilagringssystemet bruker væskekjølingsteknologi for å stabilisere diodens driftstemperatur under 45 grader, og reduserer omvendt lekkasjestrøm med 78 % sammenlignet med den luft-avkjølte løsningen. Samtidig justerer systemet dynamisk kjølevæskestrømningshastigheten basert på diode VF Tj-kurven. I Huawei Digital Energy PowerStack energilagringssystem forlenger denne utformingen diodens levetid fra 10 år til 15 år og reduserer sannsynligheten for termisk svikt til 0,01 % per år.